PE Energia Akadémia 135 A szél és naperőművek versenyképességéről Már régóta készülök erről írni, mivel nagy a szakmai megosztottság a megújuló energiaforrások hasznosításával kapcsolatban, különös tekintettel a szél és naperőművekre. Persze ezeket elsősorban a klímavédelem jegyében építik, az érintett lobbik, befektetők, gyártó cégek és zöld szervezetek azonban a versenyképességük mellett is érvelnek. Hát hogy látom ezt a kérdést erőműves szakemberként? Erőműveknek nevezzük a villamos energiát termelő ipari létesítményeket. A hasznosított primer energia szerint így beszélünk szén, olaj és gáztüzelésű (hagyományos, ill. fosszilis) erőművekről, atomerőművekről, vagy vízerőművekről, geotermikus, szél és naperőművekről stb. Utóbbiak a megújuló energiaforrásokat hasznosító erőművek. A lakossági és ipari fogyasztók ma már az országokat behálózó táv és elosztó vezetéki hálózatokból vételezik a villamos energiát, amelyekbe forrás oldalon az erőművek mindenkor a fogyasztói igényekhez igazodó energiát táplálnak, minthogy ilyen nagy mennyiségben a villamos energiát nem lehet gazdaságosan tárolni. Ezért mindenkor akkora teljesítőképességű erőműrendszert kell létesíteni és üzemeltetni, hogy a fogyasztók nagy biztonsággal elláthatók legyenek. Ha nő a fogyasztói igény, vagy le kell állítani elöregedett erőműveket, akkor új erőműveket kell építeni. Alapkérdés mindenkor, hogy milyen erőművet építsünk? A választ csak alapos elemző vizsgálat alapján adhatjuk meg, amelyek során alapvetően gazdaságossági összehasonlító vizsgálatokat kell végezni, természetesen sok egyéb szempont (iparfejlesztési, foglalkoztatási, környezetvédelmi, esetenként politikai stb. szempontok) figyelembevétele mellett. E helyen csupán a gazdaságossági összehasonlító vizsgálatokra szorítkozunk. Tájékoztatásul megemlítjük, hogy ma már 500 1500 megawatt (MW) nagyságú (helyes szakkifejezéssel: teljesítőképességű) un. kondenzációs erőművi egységeket építenek, amelyek mindenkor technológiai csúcstechnológiát képviselnek. A kondenzációs erőművek elvárt alaptulajdonsága, hogy teljesítményük a mindenkori fogyasztói igények változásához igazodva a minimális és maximális teljesítményük között rugalmasan változtatható legyen. Ebből következik, hogy ezek képezik a biztonságos energiaellátás alapját. Első lépésben feltérképezendő, hogy a helyi (országos) szempontok és igények alapján egyáltalán milyen típusú és nagyságú (korszerű) egységek létesíthetők. Ezek mind bevonandók a gazdaságossági összehasonlító vizsgálatba. Pl. építhetünk (a szállítók kínálatai alapján) 500 MW os lignitblokkokat, vagy 1200 MW os atomerőművi blokkokat, vagy pl. 450 MW os kombinált ciklusú gáztüzelésű egységeket. Fontos még a telephely megválasztása, amelynek ugyancsak vannak fontos szempontjai és jelentős gazdaságossági kihatásai. Alapkérdés, hogy a szóban forgó erőművekben várhatóan mekkora lesz a termelt villamos energia egységköltsége (egy kilowattóra termelési költsége), és az évenként termelt villamos energia mennyisége. A várható egységár döntően a beruházási költségből számolt állandó,
és az üzemeltetéssel összefüggő változó (döntően a felhasznált tüzelőanyag) költségeiből tevődik össze. A gazdasági összehasonlító vizsgálat rendkívül összetett feladat, de önmagában a várható egységköltség meghatározása is komoly feladat, hiszen a költségképző tényezőknek (beruházási összeg, hitelek kamatai, a tüzelőanyag és egyéb üzemeltetési költségek, építési idő, élettartam, lebontási költségek, rehabilitáció, stb.) az erőmű egész élettartama alatt bekövetkező (várható) változásait is meg kell becsülni. Ugyanis az erőművi egységeket ma már 50 60 éves élettartamra tervezik. E helyen csupán azzal az alapkérdésre kívánjuk a figyelmet felhívni, hogy a különböző (vizsgálatba bevont) új erőmű típusok várható (számított) egységköltségeinek összehasonlítása alapján milyen feltételek mellett ítélhető meg, hogy az összehasonlító vizsgálatba bevont erőmű típusok közül melyiket tekinthetjük a legkedvezőbbnek. Két műszakilag (technológiailag) eltérő erőmű (az éves, ill. az egységköltségek alapján történő) összevetése, és a kedvezőbbnek ítélhető változat kiválasztása csak akkor korrekt, ha az ellátott fogyasztók szempontjából azonos értéket képviselnek. Az értékelés alapja, hogy vajon akkor és úgy képesek e a villamos energiát termelni (hálózatra adni), amikor és ahogyan a fogyasztók igénylik. Ennek megítélésére használjuk az erőmű rendelkezésre állásának képességét, és számszerűen az erőmű un. értékelhető teljesítőképességével jellemezzük. Nyilvánvalóan értékesebb az az erőmű, amely a fogyasztói csúcsidőszakban is rendelkezésre áll. Ha egy villamosenergia rendszerbe új erőmű épül, akkor éves átlagban megnő az erőművi rendszer csúcs teljesítőképessége. Ezzel a többlettel csúcsfogyasztói időszakban is a fogyasztók rendelkezésére áll, ezért alkalmas az új erőmű étékének a jellemzésére. A fogyasztói oldal szempontjából tehát valamely új erőmű értékelhető teljesítőképessége a fogyasztói rendszernek az az évi átlagos csúcsterhelés növekedése, amelynek ellátása az új erőmű beépítése révén válik lehetővé. A rendszer szempontjából valamely új erőmű annál értékesebb, minél nagyobb átlagos csúcsterhelés növekedést tesz lehetővé, tehát minél nagyobb az értékelhető teljesítőképessége. Ebből következik: a rendszer szempontjából akkor egyenértékű két különböző típusú erőmű, ha értékelhető teljesítőképességük azonos. Ebből az is következik, hogy a fogyasztói igények növekedése mindig megfelelő értékelhető teljesítőképesség létesítését követeli meg, és nem az erőmű beépített (installált) teljesítőképessége számít. Az új erőművel szemben támasztott alapkövetelmény ugyanis, hogy olyan mértékben és módon álljon a villamos fogyasztók rendelkezésére, amint azok megkívánják. Ilyen szempontból azok az un. kondenzációs erőművi egységek a legértékesebbek, amelyeknek teljesítménye az igényekhez igazodóan rugalmasan változtatható. Amennyiben egy erőmű a fogyasztói (napi, heti, évi) csúcsigények fedezésére nem áll rendelkezésre, úgy helyettesítő erőműről (vagy energiaimportról) kell gondoskodni, ami a villamos energia költségeit jelentősen megnöveli. A részletesebb tudnivalókat már egy
régi egyetemi jegyzet 1 is tartalmazta, amellyel egyben arra is fel kívánjuk hívni a figyelmet, hogy nem árt, ha egy egy témakör tudományos, ill. szakági hátterét is ismerjük. Ezek után visszatérhetünk az összehasonlító gazdaságossági vizsgálatokra. A gazdaságos változat kiválasztása az évi költségek összehasonlítása útján csak akkor lehet korrekt, ha az összehasonlításra kerülő változatok nemzetgazdasági (rendszer) szinten azonos feladatok ellátására alkalmasak. Csupán villamos energia termelése esetén ez akkor áll fenn, ha a) az értékelhető teljesítőképességük azonos, b) azonos mennyiségű (évi) villamos energiát szolgáltatnak. Utóbbi feltételről megemlítendő, hogy a termelt villamos energia mennyisége abból adódik, hogy az üzemelő erőművek versenyében az un. gazdaságos terheléselosztás keretében a rendszerirányító (ma már számítógépes optimalizálás alapján) milyen teljesítményt (menetrend szerinti szolgáltatást) igényel az erőműtől. Tehát ez is az erőmű jóságától (fajlagos hőfogyasztásától, tüzelőanyag költségétől) függ. A gazdaságos terheléselosztásról is tájékoztat a hivatkozott egyetemi jegyzet. Az összehasonlítás során ezek a feltételek általában nem teljesülnek, ezért a változatokat először azonos alapra kell hozni. A kisebb értékelhető teljesítőképességű változatokat olyan fiktív un. hiányerőművel kell kiegészíteni, amelyekkel a változatok a legnagyobb értékelhető teljesítőképességű változatét elérik. A hiányerőművek éves költségeivel természetesen a kiegészítésre szoruló változatokat meg kell terhelni. Ehhez olyan kondenzációs erőmű költségeit kell figyelembe venni, amelynek az építése éppen aktuális (akár iterációs számítással). A termelt villamos energia mennyiségekben való eltérést pedig úgy hozzuk azonos szintre, hogy a maximális évi energiatermelésű változathoz viszonyítva a hiányzó villamos energia mennyiségét a hálózatból vételezett fiktív energiával pótoljuk, és ezek költségeivel a változatokat megterheljük. Az mindenesetre érzékelhető, hogy a szóban forgó azonos szintre hozás igen jelentős költségeket jelenthet. Ezek után konkrét számszerű adatokkal tekintsük át a szél és naperőművek értékességét a németországi adatokat felhasználva, minthogy Európában, az un. Energiewende keretében, a 2000 ben megjelent megújuló törvény (EEG) által garantált támogatások következtében itt élenjáró a szél és naperőművek kiépítettsége. Németországban jelenleg a megújuló erőművek beépített teljesítőképessége kereken 100 GW (100 000 Megawatt összehasonlításul a magyarországi csúcsigény 6000 MW), amelynek közel 90% át a nap és szélerőművek teszik ki. Utóbbiak 2016. májusi termelési függvényeit az 1. ábra szemlélteti. A kék színű függvény az összes szélerőművi teljesítmény időbeli változását mutatja, a kék terület tehát a szélerőművek által termelt villamos energia mennyiségét ábrázolja. A sárga csúcsos függvények hasonló módon a naperőművek 1 Petz Ernő: Hőerőművek I. Gazdasági vizsgálatok. Budapesti Műszaki Egyetem, Gépészmérnöki Kar. Tankönyvkiadó, Budapest, 1965. J4 473
termelését szemléltetik. A barna színű függvény alapján a naponként változó fogyasztói igények (terhelés) változása követhető, így a barna színű területnek megfelelő villamos energiát gyakorlatilag az atomerőműveknek és a hagyományos (fosszilis) erőműveknek kell fedezniük. Láthatóan vannak olyan rövidebb hosszabb időszakok, amikor a szél+naperőművi termelés minimális, ezért annyi hagyományos erőművi kapacitást kell üzemben tartani, hogy azok képesek legyenek gyakorlatilag a teljes fogyasztói igényt fedezni az atomerőművekkel együttesen. De minthogy az atomerőművek az un. alaperőművi funkciót látják el, ezért az un. terheléskövető üzemvitelt a rugalmas gázerőműveknek, ill. a kőszén erőműveknek, és végül szükség szerint a barnaszén tüzelésű erőműveknek kell ellátni, ami számos problémával jár, amelyekre itt nem tudunk kitérni. A lényeg, hogy a hagyományos erőművekre továbbra is nagy szükség van. 1. ábra. A fogyasztói igények és a szél ill. naperőművek termelése (2016. máj.) Az ábrához tartozó számszerű adatokat az 1. táblázat foglalja össze. Az első oszlop a terhelési adatokat, a második a szélerőművi, a harmadik a naperőművi, a negyedik szél+naperőművi adatokat, az utolsó oszlop a névleges teljesítményhez mért százalékos értékeket tartalmazza. A táblázat szerint május végén a beépített teljesítőképesség elérte a 86 691 MW értéket. 1. táblázat. A 2016. májusi szél és naperőművi termelés számszerű adatai
A sorok egymás alatt a beépített teljesítőképességeket, a hónap során elért maximális teljesítményt, majd a harmadik, ill. negyedik sor a közepes, ill. minimális teljesítmény értékeket tartalmazza. Az utolsó sor első oszlopában Németország májusi teljes villamos energiafogyasztási értékét látjuk, majd a szélerőművek, a naperőművek által termelt értékek szerepelnek, ill. a negyedik oszlopban a kettő összege. Végül a jobb alsó sarokból látható, hogy ez a hatalmas beépített kapacitás a havi energiaigénynek csupán a 27,99 % át fedezte. Az adatok bizony siralmasak, hiszen a szél+naperőművi kapacitás kihasználása csupán 17 % os, minthogy az elméletileg termelhető energiamennyiség (amihez viszonyítani kell) az 1. ábrán a felső piros színű görbe alatti teljes terület. Ez a kis kihasználás a szél, ill. napsugárzási viszonyokkal magyarázható, amit a részletesebben a 2. ábra meggyőzően igazol (2016. január június). Láthatón a szélerőművi termelés a széljárásnak megfelelően rendkívül fluktuál, meredek felfutási és visszaeső ágakkal, éles csúcsokkal, előre nem tervezhető módon ( cik cak áram ). Csupán ránézésre is megállapítható, hogy a tengerre telepített erőművek esetében kedvezőbb a helyzet (világoskék mező), de ezek kiépítettsége egyelőre még kevés, viszont további évi 2000 MW létesítésével számolnak. 2. ábra. A szárazföldi (Onshore) és a tengerre telepített (Offshore) szélerőművek termelése A megújuló villamosenergia termelés 2016 évi összefoglaló időfüggvényeit a 3. ábra szemlélteti. Láthatóan a termelési viszonyok a szél és naperőművek tekintetében (kék, ill. sárga színű mezők) éves viszonylatban sem kedvezőbbek. Viszont jobb a helyzet a biomassza erőművek (zöld mező) és a vízerőművek (világoskék mező) esetében. A fogyasztói igények (terhelés) változása a felső lila színű függvény alapján követhető. (Elnézést az elmosódott ábráért.) A fogyasztói csúcsigény január végén és december elején megközelíti a 80 000 MW
értéket. Láthatóan a téli hónapokban a szélerőművi termelés, a nyári hónapokban érthetően a naperőművi termelés (sárga szín) valamivel kedvezőbb. 3. ábra. A megújuló erőművek 2016. évi termelési függvényei A tényadatok alapján összefoglalóan megállapítható, hogy a szélerőművek termelése rendkívül rapszodikus, kihasználásuk pedig alacsony. Nem a fogyasztói csúcsigények idején állnak rendelkezésre, hanem ha kedvezőek a szélviszonyok. Ilyenkor akár túltermelés állhat elő, minthogy a hagyományos erőműveket nem lehet leállítani a biztonságos energiaellátás érdekében. Ilyenkor az áramtőzsde negatív áramárral kínálja a villamos energiát. Az erősen ingadozó termelés jelentős rendszerstabilitási problémákkal is jár, már már az ellátásbiztonságot veszélyezteti. Hasonló a helyzet a naperőművek termelésével is, azzal a megjegyzéssel, hogy éjszaka a termelésük előre jól tervezhetően zérus értékű. Mindezek alapján adódik, hogy szél és naperőművek értékelhető teljesítőképessége rendkívül alacsonyra, és a termelt villamos energia mennyisége rendkívül kevésre adódik, ezért a gazdaságossági összehasonlító vizsgálatok során a nagyra adódó kiegészítő hiányerőművek és a nagy mennyiségű fiktív vételezett villamos energia éves költségeivel meg kell terhelni a szélerőművi változatokat. Ez olyan költségnövekedést eredményez, hogy ilyen erőművekkel történő rendszerbővítésre még a megvalósítható tanulmányokat sem érdemes elkészíteni. Mindezek bizonyítására az 1. táblázat adataiból számoljunk konkrét értékeket. A 2. és 3. ábra alapján a táblázatbeli májusi adatok évi átlagos adatokként elfogadhatók, így az éves értékek közelítőleg jól becsülhetők. Ha a táblázatbeli 10 788 GWh villamos energiamennyiséget osztjuk a 86,691 GW csúcsteljesítménnyel, akkor a havi csúcsterhelési óraszámot kapjuk, amely 124,43 órára adódik. Ennek 12 szerese az évi csúcskihasználási óraszám: 1493,16 óra/év, kerekítve tehát 1500 óra/év. Az éves 8760 as üzemórához viszonyítva ez a már említett 17 % os csúcskihasználást eredményezi. Ha kevés a termelt villamos energia
mennyisége, akkor az árbevétel is alacsony (a magas kötelező átvételi ár ellenére), ami különösen a szárazföldi szélerőművekre érvényes, amelyeknek kétharmada ezért veszteséges. Németországban északról déli irányba haladva egyre kedvezőtlenebbek a szélviszonyok, tehát egyre rosszabbak a gazdasági mutatók. Az értékelhető teljesítőképesség szempontjából a helyzet még kedvezőtlenebb, minthogy azt is figyelembe kell venni, hogy a szélerőművek nagyteljesítményű csúcsidőszakai milyen valószínűséggel esnek egybe a fogyasztói csúcsigényekkel. Ennek figyelembevételével a szélerőművek értékelhető teljesítőképessége átlagosan a névleges teljesítményük 12 15 % ára tehető. Ez azt jelenti, hogy az összehasonlító gazdaságossági vizsgálatok során pl. egy 5 MW teljesítőképességű szélerőmű éves költségeit minimum egy 4 MW os helyettesítő erőmű éves költségeivel kell kiegészíteni és mintegy 7500 MWh hálózatból vételezett fiktív energiamennyiség árával kell megterhelni. Ezzel hoztuk (a fentiekben vázoltak szerint) azonos alapra a szóban forgó szélerőművet. Ezekkel a plusz költségekkel viszont semmiképpen sem lehetnek nyerők egyéb erőműtípusokkal szemben. Az ismertetett vizsgálati módszer jogosságát könnyen beláthatjuk, hiszen egy gépkocsi vásárlásakor sem csupán az árát és a fogyasztását mérlegeljük, hanem még számos paraméterét, a komfortosságát és a szolgáltatásait. Mit ér az a gépkocsi, amely akkor robban le, amikor éppen szükség lenne rá. Tudjuk persze, hogy a vizsgálatokat sehol sem végzik a vázoltak szerint. Piacgazdasági viszonyok között a vizsgálatok általában nem nemzetgazdasági és nem rendszerszinten folynak. Legtöbbször befektetői vagy az energetikai cégek szintjén folyik a vizsgálat a támogatások figyelembevételével. E szinten pedig a befektetett tőke megtérülési ideje, ill. a várható profit optimalizálása folyik. Távolról sem az az elsődleges érdek, hogy a fogyasztók a legkisebb áron jussanak az energiához. Még rosszabb a helyzet, ha az új erőművek építését csupán lobbi érdekek vagy politikai megfontolások vezérlik, amint az említett német Energiewende keretében, ahol az energiapolitika elsődleges szempontja a klímavédelmi célkitűzések teljesítése, konkrétabban a szén dioxid kibocsátásának minden áron való csökkentése. A 2015 év végi párizsi ENSZ klímacsúcs eufóriájában a környezetvédelmi minisztérium által elkészített Klímavédelmi terv 2050 c. javaslatban 2050 re az energiafelhasználásban gyakorlatilag a hagyományos energiahordozók teljes kiszorítása (dekarbonizáció) szerepel. Ez gazdaságilag és technológiailag is képtelenség, amit a kancellária ellenvéleménye is jelzett, ezért a javaslat nem került még a parlament elé. A szélsőséges (ideologikus) törekvés viszont létezik. Már eddig is mintegy 600 700 milliárd euróba került az Energiewende, aminek eredményeképpen Európában messze Németországban (és a hasonló úton járó Dániában) a legmagasabb a villamos energia fogyasztói ára. Megalapozott vizsgálatok szerint bizonyítható, ha a szél plusz naperőművi kapacitást a jelenlegi tízszeresére növelnék Németországban, akkor sem lehetne a villamos energia
ellátást tisztán megújuló energiaforrásokból megoldani. A fontosabb okok csupán felsorolásszerűen: A szél és naperőművek sohasem képesek az un. alaperőművi feladatok ellátására A túltermelési energiamennyiség nem képes fedezni a völgyidőszaki hiányt. Ehhez minimum 500 600 GW beépített teljesítőképességre lenne szükség. A kiegyenlítéshez meg kellene teremteni az energiatárolás lehetőségét. A számítások szerint 80 000 GWh tárolási kapacitást kellene létesíteni. A gyors termelési változásokat rugalmasan követni képes be és kitárolási technológiákra van szükség. Elvileg a tározós vízerőművek (jelenleg Németországban e kapacitás 45 GWh), ill. a Power to Gas technológia jöhetne szóba. Utóbbi esetben a túltermelési villamos energiát vízbontás útján hidrogén termelésre hasznosítják, völgyidőszakban pedig a hidrogén elégetésével villamos áramot termelnek. Mindehhez azonban meg kell építeni a vízbontó állomásokat, meg kell oldani a hidrogén tárolását és meg kell építeni a hidrogéntüzelésű új erőműveket (mintegy 100 GW kapacitással). Nem lebecsülendő feladatként meg kell építeni a hiányzó magasfeszültségű távvezetékeket (elsősorban észak felöl déli irányba), uralni kell (a szükségszerűen adódó és már ma is alig uralható) frekvenciatartási és a rendszerstabilitási problémákat, és végül meg kell vívni a csatákat a szomszédos országokkal, amelyeknek stabil villamosenergia ellátását is veszélyezteti az egyre kaotikusabb német rendszer. Végül megemlítendő, hogy e bizonytalan és hosszú távon nem tervezhető helyzetben a befektetők nem kívánnak erőműveket építeni, csupán a nagy támogatásokat élvező megújuló erőműveket építik. De meddig tarthat e piacgazdaságtól idegen támogatási rendszer? A kedves olvasó mindezek alapján megítélheti, hogy egyáltalán járható e ez az út, ugyanis sok sok milliárdról van szó. Nem tarthat soká, hogy bebizonyosodjon: még az olyan erős gazdasággal rendelkező országok, mint Németország sem járhatják ezt a szélsőséges utat. Ez a (dekarbonizációt célul kitűző) közös klíma és energiapolitika minden bizonnyal tévút. A nemzetgazdasági szintű (tehát az egész társadalom érdekeit képviselő) vizsgálatoktól természetesen meg kell különböztetni a maszek szinten kiépített napcellás áramellátást, amelyet általában nem gazdasági megfontolásból létesítenek, hanem mert divatos, netán a szomszédnak is van ilyenje, esetleg pályázat útján támogatást lehet szerezni (és így már megéri ), vagy egyszerűen futja a tulaj pénzéből, hiszen hasonló megfontolásból már Mercédesze és vitorlása is van. Németországban ugyanis a napenergia hasznosításnak döntően ez a módja valósult meg. Milliószámra működnek már ilyen divatos mikróerőművek, ami rendkívül ügyes fogás, ugyanis az áramtermelő kapacitás létesítésének egy jelentős szegmensét a jobb módú lakosokra, ill. intézményekre terhelik át. Lassan alig marad üres háztető. Természetesen vannak már olyan országok, kormányok, ill. politikai alakulatok, amelyek felismerték a klímavédelem által vezérelt energiapolitika súlyos veszélyeit, aminek
következtében új energiapolitikai stratégiák megjelenése formálódik. Ide sorolandó a Brexit utáni új angol kormány (a parlament gazdasági bizottsága által elkészített tanulmány 2 alapján), de az új amerikai kormánytól is jelentős elmozdulás várható a klímavédelem és az energetika területén. A politikai formációk közül érdemes megemlíteni a viszonylag új német AfD pártot, amelynek energiapolitikai programja 3 teljes mértékben klímaszkeptikus. A 2017 es új esztendő nagy valószínűséggel fordulópontot hozhat a konszenzussal elfogadottnak hazudott 4 klíma és energiapolitikában. (Petz Ernő, 2017. 01. 24.) A konszenzus valódi helyzetét találóan jellemzi az alábbi karikatúra: 2 E honlap 2016. 11. 11. és 2016. 07. 10. keltezésű írások 3 E honlap 2016. 05.15. keltezésű írása 4 E honlap 2016. 06. 12. keltezésű írása